架空电缆询问系统和方法与流程

架空电缆询问系统和方法
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求2019年3月6日提交的美国临时申请序列号62/814372的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
技术领域
3.本公开涉及架空电缆领域，该架空电缆包括支撑外导电层的强度构件，尤其涉及用于询问电导体电缆以确定电缆尤其是强度构件是否已经损坏的方法和系统。


背景技术：

4.架空电缆通常包括多个导电支架，这些导电支架缠绕在强度构件上并由其支撑。传统上，强度构件由多个钢绞线制成，这种配置被称为铝导体钢加强(acsr)。由于纤维增强复合材料强度构件比其他强度构件材料比如钢具有许多优点，因此包括复合材料强度构件的架空电缆正在许多新的传输线路项目中实施。这种架空电缆还用于重新引导现有的传输线路，例如替换现有基础设施(例如现有支撑塔)上的acsr导体电缆。
5.虽然处于acsr配置的钢强度构件可以急剧弯曲并且可以塑性变形而不会表现出显著强度退化，但许多纤维增强复合材料不会塑性变形，并且在弯曲时仅仅储存动能。这种储存的动能有利地允许柔性纤维增强复合材料在弯曲载荷释放时恢复到其原始形状。然而，当弯曲载荷过大时，即使是柔性纤维增强复合材料也可能在压缩或拉伸破坏模式下损坏。如果出现一些初始损坏，这种损坏可能会随着时间的推移而扩散，导致强度构件进一步退化或完全失效。
6.公用事业行业最近也表达了对诊断传输线路健康、优化传输线路运行、降低维护成本和降低输电网灾难性故障可能性的产品和方法的需求。然而，输电线路除了长达数公里之外，还包括地理位置多样、位置偏远的基础设施。很难监测整个传输线路，很难关于问题的性质和位置高度准确地识别传输线路中的问题，并且很难将与问题相关的数据传输到中心位置，例如用于分析。
7.还希望最大限度地利用输电网，并在更接近可靠性边缘的地方运行传输线路段。然而，在这种条件下运行会在输电网中产生更高的故障事件可能性，例如输电网中架空电缆的故障。


技术实现要素：

8.希望能够询问纤维增强复合材料强度构件，以识别强度构件中缺陷或瑕疵的存在并测量伸长率。特别希望在架空电缆中的复合材料强度构件的制造、安装和使用的产品周期的早期识别这种缺陷或瑕疵。
9.关于使用传感光纤询问架空电缆，已经确定的一个问题在于，从复合材料基质内选择性地接近传感光纤并在传感光纤和otdr装置之间建立可靠连接极其困难。也就是说，传感光纤具有相对较小的直径，并且当它们设置在与结构纤维相同的基质中时，难以定位
和连接。这个问题在架空电缆安装的情况下尤其困难，因为连接必须由技术人员在现场进行，通常是在困难的环境条件下。
10.因此，本文公开的产品、方法和系统可以使纤维增强复合材料强度构件的询问能够检测复合材料强度构件中的缺陷：(i)制造后和安装前(例如制造缺陷)；(ii)在用导电层绞合以形成电导体之后和安装之前(例如检测绞合过程中引入的缺陷)；和/或在安装架空电缆之后但在给电导体通电之前(例如由于未能遵循安装协议而导致的缺陷)。通过在产品制造和安装周期中的这些点中的一个或多个处确定复合材料强度构件和/或导电层中是否存在缺陷，不仅可以由于早期检测而节省时间和成本，而且可以采取补救步骤来纠正导致缺陷的制造或安装错误。
11.可能有利的是，在给传输线路中安装的架空电缆通电之后，立即确定复合材料强度构件的状况，比如温度、强度构件的应变状况或强度构件且因此架空电缆的伸长率(例如长度的变化)。因此，本文公开的产品、方法和系统还可以使得能够询问架空电缆，以在给架空电缆通电之后立即确定架空电缆的一个或多个状况。例如，架空电缆的安装可能导致导电层上的表面缺陷，从而导致导电层的电阻率高得不可接受的“热点”。
12.在另一方面，可以在安装之后和在正常输电操作中例如在输电网中使用架空电缆期间，监测架空电缆的状况。监测架空电缆的状况是非常理想的，特别是由于天气事件(例如风、冰载荷)或意外事件(例如导体过载、导电层损坏等)。例如，架空电缆的工作温度可以连续或定期测量。在另一方面，架空电缆中的拉伸应变(即强度构件中的拉伸应变)可以连续或周期性地测量。在又一方面，架空电缆的长度(即强度构件的长度)可以连续或周期性地测量。这种测量可用于确定架空电缆的不同状态，例如架空电缆在传输线路中任何给定跨距处的实时垂度，以提高系统安全性和可靠性。
13.在一特征中，产品、系统和方法结合分布式光纤传感器的使用。分布式光纤传感器可以包括传感光纤，该传感光纤沿着复合材料强度构件的长度设置，并且可以设置在强度构件内，例如设置在强度构件的结合基质内。通过使用分布式光纤传感器，架空电缆的某些状况(例如温度或应变)可以在沿架空电缆长度的基本任何点处以高精度确定，关于状况的定量测量和该状况的位置。以这种方式，例如，可以识别沿着架空电缆长度的“热点”，这可以指示由于导电层或芯中的缺陷而导致的更大电阻的点。
14.此外，通过使用分布式光纤传感器，可以在沿其长度的不同位置确定强度构件中的拉伸应变，例如识别拉伸应变的突然变化的位置。这种突然变化可能表明架空电缆有问题，例如由于自然或人为事件导致的复合材料强度构件中的缺陷。通过早期和准确地检测这些缺陷，可以在缺陷导致传输线路严重故障之前采取纠正措施。
15.可能希望将感测和监测装置与通信模块可操作地耦合，该通信模块配置成将数据传输到可以监测、记录和/或分析以及利用数据的位置。基于该分析，可以操作输电网，例如增加或减少通过架空电缆发送的电力。此外，如果需要，可以利用各种状况(例如热点)的位置信息来有效和高效地将维护团队部署到该位置，以进一步检查和纠正问题。
16.在一实施例中，公开了一种用于检测架空电缆的拉伸应变状况的系统。该系统包括至少第一架空电缆和导电层，该第一架空电缆形成输电线的一段，该架空电缆包括纤维增强复合材料强度构件，该强度构件包括结合基质和设置在该结合基质内的结构纤维，该导电层缠绕在纤维增强强度构件上并由其支撑。该系统还包括传感器部件，其与架空电缆
集成在一起并且配置成测量例如架空电缆的拉伸应变，该传感器部件包括至少第一传感光纤，其整体形成在强度构件的结合基质内，并且沿着强度构件的中性轴线的长度设置。第一传感光纤配置用于分布式感测例如沿架空电缆长度的拉伸应变。该系统还包括至少第一激光源和至少第一信号检测器，第一激光源配置为沿着第一传感光纤的长度传输相干光脉冲，第一信号检测器配置为检测由第一传感光纤反向散射到检测器的至少第一反向散射光分量并提供至少与架空电缆中的拉伸应变相关的数据。
17.在一特征中，传感器部件包括至少第二传感光纤，第二传感光纤沿着强度构件的长度偏离中性轴线，其中第二传感光纤配置用于沿着架空电缆的长度分布式感测温度。在另一特征中，第一传感光纤基本沿着中性轴线的长度线性设置。在另一特征中，第一传感光纤是单模光纤。在另一特征中，第一传感光纤是硅基光纤。在另一特征中，第二传感光纤是多模光纤。在另一特征中，第二传感光纤偏离中性轴线的距离等于强度构件直径的至少约20％。在另一特征中，第二传感光纤整体形成在强度构件的结合基质中。在另一特征中，第二传感光纤设置在强度构件的结合基质和围绕结合基质的材料层之间。在另一特征中，结构纤维包括碳纤维。在另一特征中，结构纤维包括玻璃纤维。在另一特征中，结构纤维至少包括第一类型的纤维和不同于第一类型的第二类型的纤维。在另一特征中，结构纤维包括基本连续的结构纤维束。在另一特征中，架空电缆的长度至少约为1000米。在另一特征中，强度构件具有基本圆形横截面。在另一特征中，强度构件具有至少约1400mpa的拉伸强度。在另一特征中，第一信号检测器配置成至少检测由第一传感光纤反向散射的布里渊反向散射光分量。在另一特征中，第一信号检测器配置成至少检测由第二传感光纤反向散射的拉曼反向散射光分量。在另一特征中，第一信号检测器配置成至少检测架空电缆的长度。在另一特征中，强度构件包括单个单一的纤维增强复合材料构件。在另一特征中，第一信号检测器配置成通过光时域反射计检测瑞利反向散射光。
18.在另一实施例中，公开了一种智能电力传输系统。该系统包括至少第一架空电缆，其在张力下串在第一终端塔和第二终端塔之间，并由第一和第二终端塔之间的多个悬挂塔支撑，以形成输电线的一段。第一架空电缆包括强度构件和围绕强度构件设置并由其支撑的导电层。至少第一传感光纤设置在第一架空电缆内，其中第一传感光纤配置用于沿着第一架空电缆的长度分布式感测复合材料损伤、拉伸应变和温度中的至少一个。该系统还包括：至少第一泵浦激光源，其由第一终端塔可操作地支撑，并且配置为将相干光信号脉冲导入至少第一传感光纤的第一端部；信号检测器，其可操作地支撑在第一终端塔上，并且配置为检测由第一传感光纤反向散射到信号检测器的相干光信号脉冲的布里渊反向散射光分量和拉曼反向散射光分量中的至少一个；以及传输单元，其由第一终端塔可操作地支撑，并且配置为将与反向散射光分量相关的数据传输到远离第一终端塔的监测设施。
19.在一特征中，该系统包括第二架空电缆，其在张力下串在第一终端塔和第二终端塔之间并由多个悬挂塔支撑，第二架空电缆包括强度构件、围绕强度构件设置并由强度构件支撑的导电层以及设置在第二架空电缆内的至少第一传感光纤，其中第一传感光纤配置用于沿着第二架空电缆的长度分布式感测拉伸应变和温度中的至少一个。第一泵浦激光源配置成将相干光信号脉冲导入第一传感光纤的第一端和第二传感光纤的第一端。
20.在另一特征中，终端配件将架空电缆附接到终端塔，并且其中第一激光源与终端配件可操作地集成在一起。在另一特征中，至少第二激光源配置成引导反向传播的探测光
信号脉冲通过至少第一传感光纤。在另一特征中，第一和第二终端塔之间的距离至少约为1500米。在另一特征中，第一和第二终端塔之间的距离不大于约6000米。
21.在另一实施例中，公开了一种配置用于传输线路段的架空电缆。纤维增强复合材料强度构件包括树脂基质和设置在树脂基质内的结构纤维、缠绕在强度构件上并由其支撑的导电层以及至少第一传感光纤，其整体形成在强度构件的树脂基质内并沿着强度构件的中性轴线的长度设置，其中第一传感光纤配置用于沿着架空电缆的长度分布式感测拉伸应变。
22.在一特征中，电缆包括至少第二传感光纤，第二传感光纤沿着强度构件的长度偏离中性轴线，其中第二传感光纤配置用于沿着架空电缆的长度分布式感测温度。在另一特征中，第一传感光纤基本沿着中性轴线的长度线性设置。在另一特征中，第一传感光纤是单模光纤。在另一特征中，第一传感光纤是硅基光纤。在另一特征中，第二传感光纤是多模光纤。在另一特征中，第二传感光纤偏离中性轴线的距离等于强度构件直径的至少约20％。在另一特征中，第二传感光纤整体形成在强度构件的树脂基质内。在另一特征中，第二传感光纤设置在强度构件的树脂基质和围绕树脂基质的材料层之间。在另一特征中，结构纤维包括碳纤维。在另一特征中，结构纤维包括玻璃纤维。在另一特征中，结构纤维包括基本连续的结构纤维束。在另一特征中，架空电缆的长度至少约为1000米。在另一特征中，纤维增强复合材料构件具有至少约1400mpa的拉伸强度。
附图说明
23.图1示出了架空电缆的透视图。
24.图2a-2f示出了纤维增强复合材料构件的截面图。
25.图3a-3b示出了具有沿其长度设置的传感光纤的纤维增强复合材料构件的透视截面图。
26.图4示出了包括纤维增强复合材料强度构件的电导体的透视截面图，该纤维增强复合材料强度构件具有沿其长度设置的两个传感光纤。
27.图5示出了架空传输线路的透视图。
28.图6示出了可以使用分布传感器系统分析的反向散射光信号的分量。
29.图7示意性地示出了用于将光纤从复合材料强度构件耦合到询问装置的连接系统。
30.图8示意性地示出了用于保护光纤和便于将光纤耦合到询问装置的布置。
31.图9示意性地示出了光纤与光纤对准设备的附接。
32.图10示意性地示出了用于化学去除结合基质以暴露光纤的方法和设备。
33.图11示意性地示出了用于热去除结合基质以暴露光纤的方法和设备。
具体实施方式
34.概括地说，本文公开了能够连续和/或定期询问架空电缆中的纤维增强复合材料强度构件以确定纤维增强复合材料强度构件的一个或多个状况(例如机械或热状况)的产品、方法和系统。确定的状况可以单独使用或组合使用(例如通过算法)来精确确定纤维增强复合材料构件的状态和/或纤维增强复合材料构件周围沿其长度的一个或多个位置的环
境。所述产品、方法和系统对于询问和监测架空电缆特别有用，架空电缆包括形成用于输电网的传输和分配线路的复合材料强度构件，输电网用于传输电力，尤其是长距离。
35.这种架空电缆的一个示例示意性地示于图1中。架空电缆120包括第一导电层122a，其包括螺旋缠绕在复合材料强度构件126上的多个导电绞线124a。导电绞线124a可以由导电金属例如铜或铝制成，并且通常由铝制成，例如硬化铝、退火铝和/或铝合金。如图1所示，导电绞线124a具有基本梯形横截面，尽管也可以采用其他配置，例如圆形横截面。对于相同的有效电缆直径，例如与具有圆形横截面的绞线相比，使用诸如梯形横截面的多边形横截面有利地增加了导电金属的横截面积。如图1所示，架空电缆120还包括第二导电层122b，其包括螺旋缠绕在第一导电层122a上的多个导电绞线124b。应当理解，这种架空电缆可以包括单个导电层，或者两个以上导电层，这取决于架空电缆的期望用途。
36.如上所述，由例如铝制成的导电层124a/124b不具有足够的机械性能(例如足够的抗拉强度)来在支撑塔之间串起来形成架空导线时自支撑。因此，架空电缆120包括强度构件126，以当架空电缆120在高机械张力下串在支撑塔之间时支撑导电层124a/124b。传统的强度构件由钢制成，特别是多个钢元件(例如杆)缠绕在一起形成强度构件。最近，钢强度构件已被由复合材料制成的强度构件代替，例如纤维增强复合材料，其提供了许多显著的益处。如图1所示，这种复合材料强度构件可以由单个元件(例如单个杆)构成。这种配置的示例在hiel等人的美国专利号7368162中示出，其全部内容通过引用结合于此。可替代地，复合材料强度构件可由多个单独复合材料元件(例如单独杆)构成，这些元件可操作地结合(例如螺旋扭曲在一起)以形成强度构件。这种多元复合材料强度构件的示例包括但不限于：mccullough等人的美国专利号6245425号中所示的多元件铝基质复合材料强度构件；tosaka等人的美国专利号6015953号中示出的多元件碳纤维强度构件；以及daniel等人的美国专利号9685257号中所示的多元件强度构件。这些美国专利中的每个通过引用整体结合于此。
37.概括地说，纤维增强复合材料强度构件可包括结合基质和多个结构纤维，这些结构纤维可操作地设置(例如嵌入)在结合基质内，即基质将结构纤维结合在一起以形成复合材料构件。
38.嵌入结构纤维的结合基质可以包括任何类型的无机或有机材料，其可以可操作地将结构纤维嵌入和结合到纤维增强复合材料强度构件中。因此，结合基质可以主要包括例如无机材料，比如陶瓷或金属。在另一特征中，结合基质可以主要包括有机材料，比如聚合物，例如合成聚合物。
39.例如，结合基质可以包括热塑性聚合物，包括半结晶热塑性塑料。有用热塑性塑料的具体示例包括但不限于聚醚醚酮(peek)、聚丙烯(pp)、硫化聚丙烯(pps)、聚醚酰亚胺(pei)、液晶聚合物(lcp)、聚甲醛(pom或缩醛)、聚酰胺(pa或尼龙)、聚乙烯(pe)、含氟聚合物和热塑性聚酯。可用于结合基质的聚合物材料的其它示例可以包括加成固化的酚醛树脂(例如双马来酰亚胺)、聚醚酰胺、各种酸酐或酰亚胺。
40.在一特征中，结合基质包括热固性聚合物，比如环氧树脂(例如环氧树酯)。有用环氧树脂的示例包括但不限于苯并噁嗪、热固性聚酰亚胺(pi)、聚醚酰胺树脂(pear)、酚醛树脂、环氧基乙烯基酯树脂、聚氰酸酯树脂和氰酸酯树脂。在一示例性实施例中，乙烯基酯树脂用于结合基质中。另一实施例包括使用环氧树脂，其是表氯醇和双酚a的反应产物。另一
实施例包括使用双酚a二缩水甘油醚(dgeba)。
41.环氧树脂的固化剂(例如硬化剂)可以根据纤维增强复合材料强度构件的期望性能和加工方法来选择。例如，固化剂可以选自脂肪族多胺、聚酰胺和这些化合物的改性版本。
42.环氧树脂也可被选择来提供对广谱侵蚀性化学物质的抗性，并且可被选择来具有稳定的介电和绝缘性能。可能有利的是，树脂满足astme595排气标准和ul94可燃性标准，并且能够在约100℃和200℃之间的温度范围内至少间歇地操作，而纤维增强复合材料强度构件没有显著退化(例如热或机械退化)。
43.环氧树脂还可以包括有助于制造和/或改善结合基质性能的组分。例如，用于实现纤维增强复合材料强度构件的期望性能以及易于制造的热固性环氧树脂系统可以结合催化剂。可以选择催化剂(例如“加速剂”)以促进环氧树脂组分在短时间内固化和/或减少可能导致固化树脂基质开裂的副反应。还可能希望催化剂在低温下相对无活性，以延长树脂寿命(例如“适用期”)，并且在较高温度下非常有活性，以提高复合材料强度构件制造过程中的制造速度。环氧树脂还可以用附加的加工助剂(例如脱模剂)以及性能增强填料进一步改性，例如用弹性体、热塑性塑料等增韧或硬化基质。
44.纤维增强复合材料强度构件还包括可操作地设置在(例如分散在)结合基质中的多个结构纤维。结构纤维可以包括基本连续纤维(例如纤维束)和/或可以包括不连续纤维(例如纤维须)。结构纤维可以在结合基质(例如各向同性复合材料)内对准，或者可以随机设置在结合基质(例如各向异性复合材料)内。在一特征中，结构纤维包括连续纤维，例如以遍布结合基质的一个或多个细长纤维束的形式。纤维束是基本连续的单个长丝的无捻束，通常在单个纤维束中包含数千个单个纤维。
45.纤维增强复合材料强度构件中使用的结构纤维可以选自合成纤维或天然纤维。在另一特征中，结构纤维可以选自有机纤维或无机纤维。例如，结构纤维可以包括碳纤维(例如石墨纤维或碳纳米纤维)、芳族聚酰胺纤维(例如kevlar
tm
)、玻璃纤维(包括玄武岩纤维)、陶瓷纤维、硼纤维、液晶纤维、高性能聚乙烯纤维(例如spectra纤维)、钢纤维(例如钢硬线丝)，包括高碳钢纤维或基于碳纳米管的纤维。纤维可以可选地被涂覆以增强加工和/或机械性能，例如通过使用粘合剂增强涂层。
46.在一特征中，结构纤维包括碳纤维，例如选自高强度(hs)碳纤维、中模量(im)碳纤维、高模量(hm)碳纤维和超高模量(uhm)碳纤维的碳纤维。碳纤维可由前体比如人造丝、聚丙烯腈(pan)或石油沥青制成。有用碳纤维的非限制性示例包括zoltek panex
tm
,zoltek pyron
tm
,hexcel
tm
,toray
tm
,grafil或thornel
tm
系列碳纤维产品。碳纤维的其他示例可以包括toray m46j,toray t700 sc-24k,toray t700sc-12k,grafil trh50-18m,toray t800h-12k,toray t1000g,pyrofil tr-50s或人造丝副产品等。本领域技术人员将认识到可用于纤维增强复合材料强度构件的多种碳纤维类型。
47.不同类型的玻璃纤维也可以单独或与其他纤维类型比如碳结合用于纤维增强复合材料强度构件。例如，a-玻璃、b-玻璃、c-玻璃、d-玻璃、e-玻璃、h-玻璃、s-玻璃、ar-玻璃、r-玻璃或玄武岩(例如火山玻璃)纤维可用于复合材料强度构件。也可以使用玻璃纤维和副玻璃。比如s-2玻璃758-ab-225，s-2玻璃758-ab-675；e-玻璃366-ac-250；e-玻璃366-ab-450、e-玻璃366-ab-675和含e-玻璃的玄武岩都可以用作结构纤维。在一示例中，无硼玻璃
比如e-glass被用作玻璃纤维。
48.陶瓷纤维也可用作复合材料强度构件中的结构纤维。这种陶瓷纤维可以包括例如碳化物纤维比如碳化硅纤维(sic)、氮化物纤维比如氮化硅纤维(si3n4)、金属氧化物纤维比如氧化锆基纤维(zro2)、氧化铝纤维(al2o3)、铝硅酸盐纤维和铝硼硅酸盐纤维。增强陶瓷纤维的示例是可从3m公司(st.paul,mn,usa)获得的品牌为nextel的纤维，例如nextel连续长丝陶瓷氧化物纤维312、440、550、610和720。尽管在此描述为陶瓷纤维，但应当理解，这种纤维可以包括结晶和玻璃态(例如无定形)材料相。
49.在一特征中，复合材料强度构件可包括至少两种纤维类型，即至少两种不同材料成分和/或不同纤维类型的纤维。两种或更多种纤维类型可以混合或者可以设置在纤维增强复合材料强度构件的离散部分中，例如同心部分中。两种纤维类型可能属于一种纤维材料类别。例如，复合材料强度构件可以包括e-玻璃和s-玻璃纤维，这是玻璃纤维类别中的两种不同纤维类型。在另一示例中，纤维增强复合材料强度构件可以包括碳纤维类别中的两种不同纤维类型，例如hs碳纤维和hm碳纤维。可以使用不同纤维的组合，例如将更便宜的纤维类型与更贵的纤维类型组合，从而以降低成本获得期望的结果。
50.如上所述，结构纤维也可以包括不连续纤维(例如晶须)，单独地或与连续纤维结合地。不连续纤维可以可选地在结合基质内对准以形成各向同性纤维增强复合材料构件，或者可以在结合基质内随机定向。
51.在一特定实施例中，纤维增强复合材料强度构件包括基本连续延伸穿过强度构件长度的结构纤维。例如，纤维增强复合材料强度构件可以包括分散在树脂基质中的一个或多个细长结构纤维束。纤维束是连续纤维(长丝)的束(例如未加捻的)，其中束中的单个纤维的数量表示为其产率(每磅码数)，或表示为其k值。例如，12k纤维束包括约12000个单个纤维。举例来说，纤维增强复合材料强度构件可通过选择在约4k至约60k或更大范围内的碳纤维束来制造。玻璃纤维束通常可以在约100产率至约1600产率的范围内选择，例如从约5000tex至约250tex(g/km)。
52.通常，对于玻璃纤维，纤维束中的单个结构纤维的直径可以选择为至少约8μm且不大于约25μm，例如直径至少约8μm且不大于约18μm的玻璃纤维。可以选择直径至少约4μm且不大于约10μm的碳纤维，例如直径至少约5μm且不大于约8μm的碳纤维。例如，陶瓷纤维可以具有至少约7μm且不大于约13μm的直径。对于其它种类的结构纤维，合适的尺寸范围可以根据复合材料强度构件的所需物理性能，或基于所需的浸湿特性，或其它制造考虑来确定。例如，直径不大于约5μm的结构纤维可能对处理纤维的人造成一定的健康风险。直径超过约25μm的结构纤维通常不具有所需的拉伸性能和/或加工性能。
53.纤维增强复合材料强度构件可以具有不同的横截面形状，例如多边形横截面形状、椭圆形横截面形状和几乎任何其他横截面形状，包括对称和非对称形状。此外，结构纤维在结合基质内的放置可以包括各种横截面结构的层或部分。举例来说，图2a-2f示出了具有圆形横截面形状的纤维增强复合材料强度构件的多种不同的横截面配置，例如垂直于复合材料强度构件的纵向轴线截取。
54.图2a示出了纤维增强复合材料强度构件216a，其包括复合材料部分218a，其包括基本均匀分布的结构纤维224a，结构纤维224a均匀分散在结合基质226a内。遍布复合材料部分218a的结构纤维224a可以是单一纤维类型(例如碳、玻璃或陶瓷)，或者可以是两种或
更多种纤维类型(例如碳和玻璃、碳和陶瓷、玻璃和陶瓷等)的混合物。
55.纤维增强复合材料强度构件也可以包括两个或更多个不同部分。图2b示出了纤维增强复合材料强度构件216b，其包括两个不同的纤维增强复合材料部分，其中第一纤维增强复合材料部分218bb围绕第二纤维增强复合材料部分218ba。第二复合材料部分218ba可以包括分散在第一结合基质226ba中的第一结构纤维224ba，第二纤维增强复合材料部分218ba可以包括分散在第二结合基质226ba中的第二结构纤维224ba。在该示例中，第一结构纤维224ba可以与第二结构纤维224bb相同或不同。例如，第二结构纤维224bb可以是具有相对低弹性模量和/或电绝缘的低模量纤维，例如玻璃纤维，而第一结构纤维224ba可以是具有比第一结构纤维224ba更高的弹性模量和/或拉伸强度的结构纤维，例如碳纤维。此外，第一结合基质226ba可以与第二结合基质226bb相同或不同。在一实施例中，第一结合基质226ba和第二结合基质226bb包括相同的材料(例如相同的环氧树脂)，而第一结构纤维224ba不同于第二结构纤维224bb，例如第一和第二结构纤维具有至少一种不同的材料特性。不同的材料特性可以是任何材料特性，例如弹性模量、电导率、拉伸强度、伸长率和/或热膨胀系数。结果，第一和第二复合材料部分218ba和218bb可以具有一种或多种不同的材料特性，例如不同的弹性模量、电导率、拉伸强度、伸长率和/或热膨胀系数。在一特征中，第二复合材料部分218bb具有比第二复合材料部分218bb更高的弹性模量和更低的电导率。在另一特征中，第一复合材料部分218ba比第一复合材料部分218bb具有更高的拉伸强度。第一纤维增强复合材料部分218ba中的纤维与基质的比率也可以不同于第二纤维增强复合材料部分218bb中的纤维与基质的比率。纤维与树脂的比率可以变化，而不管各部分的结构纤维和结合基质材料是否相同或不同。
56.在图2c所示的实施例中，纤维增强复合材料强度构件216c包括被第二纤维增强复合材料部分218cb包围的第一纤维增强部分218ca。强度构件216c还包括被第一部分218ca包围的第三纤维增强复合材料部分218cc。如图2c所示，第三部分218cc包括分散在第三结合基质226cc中的第三结构纤维224cc。第三结构纤维224cc可以与第一和/或第二纤维增强部分的结构纤维相同或不同，第三结合基质226cc可以与第一和/或第二纤维增强复合材料部分的结合基质相同或不同。
57.图2d示出了复合材料强度构件216d的另一实施例，其包括围绕第二材料部分218db的第一材料部分218da。在该实施例中，第一材料部分218da包括基本没有结构纤维的第一材料226da(例如聚合物)。换句话说，第一部分218da基本由“基质”226da构成，例如由基质材料构成。第一材料部分218da围绕纤维增强第二部分218db，其包括分散在第二结合基质226db中的结构纤维224db。第一基质226da可以与第二结合基质226db相同或不同。在一特征中，纤维增强第二部分218db的结构纤维224db包括碳纤维，而第一材料部分218da绝缘(例如电绝缘)碳纤维。此外，基本没有结构纤维的第一材料部分218da可以具有比纤维增强第二部分218db更低的弹性模量，从而为复合材料强度构件216d提供一定程度的柔性。
58.在图2e所示的实施例中，复合材料强度构件216e包括基本围绕第二部分218eb的纤维增强第一材料部分218ea。在该实施例中，第一部分218ea包括分散在第一结合基质226ea中的结构纤维224ea。第二部分218eb基本没有结构纤维，并且可以包括第二结合基质226eb(例如可以基本由结合基质226eb构成)，其可以与第一结合基质226ea的环氧树脂相同或不同。可替代地，第二部分218eb可以基本没有任何材料，即可以贯穿纤维增强复合材
料构件216e的长度是中空的。在另一特征中，第二部分218eb可以包括轻质填充材料，例如聚合物泡沫，以减少纤维增强复合材料强度构件218ea的总重量(例如每单位长度的重量)。
59.除了结合基质和分散在结合基质中的结构纤维之外，即除了上述纤维增强复合材料之外，纤维增强复合材料强度构件还可以包括其他特征。例如，纤维增强复合材料强度构件还可以包括围绕结合树脂基质的外表面设置的材料层，例如涂层。附加材料层可被选择成为复合材料(例如树脂和/或结构纤维)提供附加保护，或者可被选择成向复合材料强度构件提供附加功能。附加材料层可以是金属层、金属氧化物层、玻璃层或聚合物层。在一配置中，附加材料层是聚合物层，其被选择成为纤维增强复合材料提供保护，例如作为湿气阻挡层和/或作为介电层。这种聚合物层可以通过诸如浸涂、喷涂等方法设置在纤维增强复合材料上，并且可以在纤维增强复合材料的制造过程中或者在复合材料的制造之后施加。
60.在图2f所示的实施例中，纤维增强复合材料强度构件216f包括纤维增强复合材料部分218f，其包括分散在结合基质226f中的结构纤维224f。复合材料部分218f被材料层222f包围。材料层222f可以包括围绕复合材料部分218f设置并基本包围复合材料部分218f的涂层。在一特征中，复合材料部分218f可以包括设置在环氧树脂基质中的碳结构纤维，并且材料层222f可以包括被选择来保护碳纤维和树脂免受降解的涂层，例如聚合物涂层或金属涂层。包括外材料层的纤维增强复合材料构件的示例在guery等人的美国专利公开号2007/0193767和meyer等人的美国专利公开号2012/0090892中示出，它们每个的全部内容通过引用结合于此。此外，这种外材料层可以与任何强度构件配置结合使用，例如图2a-2f中所示的任何配置。
61.上述纤维增强复合材料部分可以具有相对高的纤维与树脂比率，从而为复合材料强度构件提供足够的性能(例如拉伸强度)。在一特征中，纤维增强复合材料部分包括至少约50体积％纤维，例如至少约60体积％纤维。
62.根据本文公开的产品、方法和系统，纤维增强复合材料强度构件可以结合至少第一传感光纤，其整体设置(例如完全设置)在纤维增强复合材料强度构件的结构内。例如，传感光纤可以设置在纤维增强复合材料部分和围绕纤维增强复合材料部分的外材料层之间(例如参见图2f)。
63.在一特定特征中，传感光纤沿着结合基质的长度设置在结合基质内，例如基本沿着纤维增强复合材料强度构件的整个长度。特别有利的是，传感光纤可以设置在外材料层之下，或者可以完全设置在结合基质内，即传感光纤不会沿着其长度直接暴露于外部环境。例如，通过将传感光纤完全设置在纤维增强复合材料强度构件内，传感光纤被外部料层和/或结合基质完全保护(例如屏蔽)免受外部环境的影响，从而确保自然或人为环境因素(例如热、冲击应力等)不会显著损害传感光纤的性能。此外，特别是通过将传感光纤设置在结合基质内，传感光纤在纤维增强复合材料部分内物理地和紧密地结合到基质，并且作用在纤维增强复合材料强度构件上的力(例如拉伸应变)将沿着纤维增强复合材料强度构件的整个长度完全和一致地传递到传感光纤，确保例如应力和应变的高度精确测量。
64.为了能够询问纤维增强复合材料强度构件并检测纤维增强复合材料强度构件沿其长度的状况，可以沿复合材料强度构件的长度设置一个或多个传感光纤。图3a示出了纤维增强复合材料强度构件的局部横截面视图，其横截面配置类似于图2b所示的纤维增强复合材料强度构件。纤维增强复合材料强度构件316a包括内部分318aa和围绕内部分318aa的
外部分318ab。在一特征中，内部分318aa包括结合基质中的多个基本连续增强碳纤维，外部分318ab是纤维增强复合材料部分，其包括结合树脂基质中的多个基本连续增强玻璃纤维，该结合树脂基质可以与内部分318aa的结合基质相同或不同。为了说明的目的，外部分318ab示出为从内部分318aa部分地剥离。
65.至少第一传感光纤328aa设置在纤维增强复合材料强度构件316a内。如图3a所示，第一传感光纤328aa沿着纤维增强复合材料强度构件316a的长度完全设置在内部分318aa的结合基质内。“完全设置”是指传感光纤328aa沿着传感光纤328aa与纤维增强复合材料强度构件316a接触的长度完全被纤维增强复合材料强度构件316a的结合基质包围。因此，传感光纤328aa的端部部分330aa可以延伸超过纤维增强复合材料强度构件316a的端部332a，例如允许传感光纤328aa可操作地耦合到光信号源(例如激光器)和/或信号检测器，如下所述。
66.此外，第一传感光纤328aa可以整体形成在强度构件316a的结合基质内。也就是说，第一传感光纤328aa可以直接接触(例如没有中间材料层)，以便于光纤328aa与结合基质的机械耦合。
67.本文公开的传感光纤(例如第一传感光纤328aa)被定义为通过全内反射沿其纵向轴线传输光的圆柱形玻璃纤维。传感光纤包括芯和围绕芯的包层，其中芯的折射率大于包层的折射率。芯和包层通常都包括硅基玻璃，其小心地掺杂有其他元素(例如ge,al,f,b)，以控制芯和包层的折射率。这种传感光纤还可以设置有围绕光纤的聚合物，例如uv固化涂层。
68.传感光纤328aa可以是单模光纤。单模光纤配置为传输单条光线(例如单模)，并且通常包括被相对厚的包层(例如约125μm的包层直径)包围的相对小直径的芯(例如直径为8μm至10.5μm)。可替代地，传感光纤328aa可以是多模光纤。多模光纤配置为传输多条光线(例如多种模式)，并且与单模光纤相比，具有更大的芯直径(例如50μm至100μm)。在任一种情况下，光纤可以几公里或更长的长度提供，例如用于结合到几公里或更长的纤维增强复合材料构件中。
69.如图3a所示，第一传感光纤328aa基本沿着穿过纤维增强复合材料强度构件316a的长度的中性轴线334a(例如中性弯曲轴线)设置。中性轴线334a是穿过纤维增强复合材料强度构件316a的横截面的轴线，沿着该轴线基本没有纵向弯曲应力或应变。对于对称复合材料强度构件(例如对称截面形状)，中性轴线将是横截面的几何形心。如下文更详细讨论，沿着中性轴线334a放置至少第一传感光纤328aa可以有利地减少或消除弯曲模式对传感光纤328aa的作用。结果，第一传感光纤328aa可能仅受到拉伸应力，这能够更精确地测量传感光纤328aa中且因此纤维增强复合材料强度构件316a中的那些拉伸应力，特别是当第一传感光纤328aa与结合基质一体形成时。
70.如图3a所示，纤维增强复合材料强度构件316a还包括至少第二传感光纤328ab，其完全设置在复合材料强度构件316a内，例如沿着纤维增强复合材料强度构件316a的长度完全设置在结合基质内。第一传感光纤328aa的上述特性可以同样适用于第二传感光纤328ab。如图3a所示，第二传感光纤328ab沿着纤维增强复合材料强度构件316a的长度偏离中性轴线334a，例如偏离第一传感光纤328aa。例如，第二传感光纤328ab可以从中性轴线334a偏离至少约1.5mm，例如至少约2.0mm。换句话说，第二传感光纤328ab可以靠近纤维增
强复合材料强度构件316a的外表面放置，例如，在纤维增强复合材料强度构件316a的外表面的0.5mm内。
71.通过包括至少两个传感光纤，一个沿着中性轴线334a，一个偏离中性轴线334a，可以精确地确定纤维增强复合材料强度构件316a的各种状况，例如通过对从两个传感光纤328aa和328ab获得的数据进行比较分析。可能有利的是，第二传感光纤328ab设置成与中性轴线基本成线性关系(例如与第一传感光纤328aa成线性关系)。
72.第二传感光纤328ab可以与第一传感光纤328aa相同或相似(例如两个单模光纤或两个多模光纤)。可替代地，传感光纤可以是不同类型的。在一特定特征中，第一传感光纤328aa是单模光纤(例如配置用于拉伸应变的分布式感测)，第二传感光纤328ab是多模光纤(例如配置用于温度的分布式感测)。可替代地，第一传感光纤328aa可以是多模光纤，第二传感光纤328ab可以是单模光纤。
73.除了第一传感光纤328aa和第二传感光纤328ab之外，附加传感光纤可以结合到纤维增强复合材料强度构件中，例如设置在结合基质内。这种附加传感光纤可以放置在例如离纤维增强复合材料强度构件334a的中性轴线334a不同的距离处(例如沿横截面的距离)，包括靠近纤维增强复合材料构件334a的外表面。这种附加传感光纤可以使得能够检测纤维增强复合材料强度构件334a的附加状况，和/或可以提供冗余，例如在一个或多个其他传感光纤不能以其预期方式起作用的情况下。
74.图3b示出了纤维增强复合材料强度构件的另一配置，其沿着强度构件的长度结合了传感光纤。纤维增强复合材料强度构件316b包括由结构纤维(例如碳纤维)和结合基质(例如树脂基质)构成的纤维增强复合材料部分318b。在图3b所示的实施例中，纤维增强复合材料强度构件316b还包括围绕复合材料部分318b设置的材料层322b(例如涂层)。(为了说明的目的，材料层322b示出为从复合材料部分318b部分地去除)。例如，材料层322b可以是绝缘且耐用聚合物，例如聚醚醚酮(peek)。可用于材料层322b的其它聚合物可包括聚四氟乙烯(ptfe)、氟化乙烯聚合物(fep)和聚甲醛(pom)。材料层322b也可以是金属，例如铝。此外，可以围绕复合材料部分318b设置一个以上材料层。
75.纤维增强复合材料强度构件316b包括设置在纤维增强复合材料部分318b和材料层322b之间的传感光纤328b。以这种方式，材料层322b可以有利地保护传感光纤328b以及复合材料部分318b免受周围环境(例如湿气)和/或冲击损坏。以这种方式将传感光纤328b放置在纤维增强复合材料强度构件316b的外圆周附近(例如邻近)可以增强传感光纤328b能够更精确地检测纤维增强复合材料强度构件316b外部的环境状况(例如温度)。如同图3a所示的配置，纤维增强复合材料强度构件316b可包括沿其长度的附加传感光纤，例如设置在结合基质内或设置在复合材料部分318b和材料层322b之间。例如，附加传感光纤可以沿着复合材料强度构件316b的中性轴线设置，如上所述。
76.如上所述，纤维增强复合材料强度构件包括设置在纤维增强复合材料强度构件内的至少一个传感光纤，例如设置在结合树脂基质内和/或设置在纤维增强复合材料部分和外材料层之间。传感光纤可以是长且连续的光纤，其基本贯穿纤维增强复合材料强度构件的整个长度。此外，如上所述，纤维增强复合材料强度构件可包括基本连续结构纤维，例如基本连续结构纤维束。这种结构可以使用各种方法来制造，例如手动叠放、胶带放置或其他方法。在一特征中，纤维增强复合材料强度构件(例如纤维增强复合材料部分)至少部分地
通过拉挤过程制造。
77.纤维增强复合材料强度构件特别配置成用于架空电缆，特别是用于高压架空传输线路，例如高压、超高压(ehv)或超高压(uhv)架空传输线路。在这点上，导电层可以围绕纤维增强复合材料强度构件的外表面(例如外圆周)设置，例如通过将强度构件与导电材料的单绞线绞合。图4示出了类似于图1所示的架空电缆410的横截面透视图。架空电缆410包括细长纤维增强复合材料强度构件416，其基本延伸架空电缆410的整个长度。强度构件416是纤维增强复合材料强度构件，其可包括设置在树脂基质中的一种或多种纤维类型，如上文详细讨论(见图2a-2f)。如图4所示，强度构件416具有大致圆形横截面形状。对于架空电缆中的使用，单元件(例如单杆)强度构件416可以具有例如至少约3mm且不大于约15mm的有效外径，尽管本公开不限于与任何特定直径的强度构件一起使用。
78.第一传感光纤428a沿着复合材料强度构件416的中性轴线(例如在圆形横截面的几何中心)设置在其内，第二传感光纤428b沿着偏离(例如间隔开)中性轴线的轴线设置在强度构件416内。参见图2(a)。传感光纤428a、428b可以是单模光纤或多模光纤。在一配置中，第一传感光纤428a(例如沿着中性轴线设置)配置为测量沿着强度构件416的长度的应变(例如拉伸应变)，并且是单模光纤。在该配置中，第二传感光纤428b配置为测量温度，并且可以是多模光纤。下面将更详细地讨论这种配置。
79.架空电缆410还包括围绕强度构件416设置的第一导电层412a。导电层412a包括围绕强度构件416螺旋缠绕(例如绞合)的多绞线导电材料(例如导电绞线414a)。如图4所示，架空电缆410还包括第二导电层412b，其也包括多绞线导电材料(例如绞线414b)。应当理解，也可以提供附加导电层，这对于提供更高的横截面积以增加跨越架空电缆410的导电(例如降低的电阻率)是所希望的。
80.导电层412a/412b可以由特定应用所需的任何导电材料制成，包括铜、铝及其合金。在一特征中，导电层412a/412b包括铝绞线，特别是配置(例如确定尺寸)为承载高电压(例如超过100kv)的铝绞线。各种类型的铝(包括铝合金)可以用于导电层412a/412b。在一特征中，导电绞线由完全退火的铝制成，例如完全退火的1350-o铝。完全退火的铝有利地具有相对高的导电性，约63％iacs(国际退火铜标准)，以及用于架空电缆的优异的耐热性。
81.此外，绞线414a/414b是非圆形绞线(例如横截面为多边形)，并且在一特征中是梯形绞线，即具有梯形横截面。与圆形绞线相比，梯形绞线的使用有利地使得更导电的材料(例如更高横截面积的导体)能够以等效直径配置(例如架空电缆的直径)提供。可以使用具有其他横截面的绞线，例如可从nexans(paris,fr)获得的称为z-wire绞线。
82.包括具有可操作地设置在其中的传感光纤的纤维增强复合材料强度构件的架空电缆可用于形成输电网主干的传输线路中。图5示出了例如通过与其他传输线路互连而形成输电网的一部分的传输线路500的一部分的透视图。传输线路500包括以预定距离间隔开的多个悬挂塔502。悬挂塔502各自包括竖直支撑部分504，其以竖直间隔开的关系竖直提升和支撑多个横臂506a、506b和506c。每个横臂又在悬挂塔502的相对侧支撑至少一对架空电缆(例如架空电缆508a和510a)，其通过电绝缘体(未示出)与悬挂塔隔离。在悬挂塔502中，绝缘体通常处于竖直位置或呈v形布置。本领域技术人员将认识到，可以使用其他配置的悬挂塔，例如那些以水平间隔开的关系支撑架空电缆的悬挂塔。
83.当构建传输线路500时，架空电缆串在悬挂塔502上，并以非常高的机械张力被拉
动，以确保架空电缆被提升到地面上方或架空电缆下方的任何物体上方足够的竖直距离处，例如在人造物体上方，比如建筑物、道路、火车轨道等，或自然物体例如树木。悬挂塔设置在至少两个终端塔(例如锚塔)之间，架空电缆的端部在高张力下拉动后可以锚定至该终端塔。如本领域技术人员所知，终端塔构造成比悬挂塔更坚固，并且可以具有更宽的基部和/或用于架空电缆的更强附接点。在传输线路结束、传输线路以大角度转弯或在主要交叉路口(例如河流或山谷)的每一侧使用终端塔。也以预定间隔(例如高达约6km)利用终端塔来将传输线路分成段。例如，传输线路段可以包括两个终端塔以及在两个终端塔之间(例如至少约1500米)的约6至约15个悬挂塔。将传输线路分段可以防止灾难性故障在每个区段之外传播。
84.为了能够在电导体中施加如此高的张力，架空电缆中的纤维增强复合材料强度构件的特征在于可以具有非常高的抗拉强度，例如至少约1400mpa，或者甚至至少约2000mpa的抗拉强度。
85.架空电缆中的纤维增强复合材料强度构件还可以具有足够的柔性(例如弹性模量)以缠绕在存储卷轴上，用于将强度构件存储和/或运输到绞合设施(例如其中强度构件缠绕有导电层以形成电导体)，以及用于将电导体运输到传输线路施工现场。
86.配置用于架空电缆的纤维增强复合材料强度构件也可被表征为具有足以构建传输线路500的长度，例如不需要不期望的大量接头来连接离散长度的电导体。在一特征中，纤维增强复合材料强度构件(和架空电缆)具有至少约500米的连续长度，例如至少约1km、至少约2km、至少约3km或甚至至少约5km。实际上，纤维增强复合材料强度构件和架空电缆的长度通常不超过约10km。
87.hiel等人的美国专利号7211319和hiel等人的美国专利号7368162描述了包括纤维增强复合材料强度构件的架空电缆的示例，这两个专利在此全部引入作为参考。
88.如上所述，本文公开的架空电缆的纤维增强复合材料强度构件包括设置在其中的至少第一传感光纤，并且可以包括设置在其中的两个或更多个传感光纤。这些传感光纤可以是传感器系统的部件，该传感器系统配置用于询问纤维增强复合材料强度构件以检测纤维增强复合材料强度构件的状况。可以使用公开的传感器系统确定的纤维增强复合材料强度构件状况的示例包括纤维增强复合材料强度构件的应变(例如拉伸应变)、温度和长度。根据这些状况中的一个或多个，可以确定纤维增强复合材料强度构件和电导体的状态，例如线路下垂、缺陷的存在、电流等。
89.本文公开的配置的优点在于，传感光纤设置在纤维增强复合材料强度构件内(例如与其成一体)。以这种方式，传感光纤的温度、应变和其他状况将与纤维增强复合材料强度构件和架空电缆实际经历的状况密切相关。例如，纤维增强复合材料强度构件所经受的拉伸应变将与传感光纤所经受的拉伸应变基本相同，因为当力作用在复合材料强度构件上时，传感光纤将与复合材料(例如作为结合基质)应变到相同的程度。换句话说，传感光纤直接且紧密地结合到纤维增强复合材料构件(例如结合基质)，使得传感光纤经受与纤维增强复合材料构件相同的条件。此外，结合基质将保护传感光纤免受环境影响，否则环境影响可能损坏传感光纤，包括在架空电缆的制造(例如绞合)和架空电缆的安装期间。
90.在一特征中，传感器系统配置为分布式光纤传感器系统。分布式传感器系统利用传感光纤作为线性传感器，其可以确定纤维增强复合材料强度构件在沿着纤维增强复合材
料强度构件长度的任何位置的状况。也就是说，分布式传感器可以相当高的精度沿着纤维增强复合材料强度构件的长度确定状况和该状况的位置。分布式传感器系统提供独特的特性，即使当传感光纤的长度为几公里或更长时，也能够确定沿传感光纤整个长度的状况，并且不需要沿复合材料强度构件的长度放置任何专门的传感器结构(例如布拉格光栅)。
91.分布式光纤传感器系统可以包括相干光源(例如泵浦激光源)，其可操作地耦合到传感光纤，以使得光能够以受控的方式通过(例如脉冲)到光纤中。光源配置为沿着传感光纤发送信号(例如脉冲)，并且通过分析由光纤传感器反向散射的光来执行光纤中的状况的检测(例如测量)。在这点上，传感器系统还可以包括信号检测器，例如干涉仪，其配置成检测反向散射光信号。
92.参考图6，反向散射光的分量可以分为瑞利分量、布里渊分量和拉曼分量。反向散射的瑞利分量具有与主光源相同的频率(即相同的波长)，并且具有相对高的强度。通过使用光时域反射计(otdr)，可以分析反向散射光信号的瑞利分量以确定传感光纤的长度。因此，瑞利分量可用于检测光纤中的断裂，指示对导体电缆的可能损坏。然而，瑞利分量不能提供关于传感光纤状况的任何进一步的重要信息。
93.在一特征中，分布式光纤传感器系统基于(例如实现)拉曼反向散射光分量(例如拉曼分布式传感器)和布里渊反向散射光分量(例如布里渊分布式传感器)中的至少一个的分析。拉曼和布里渊分布式传感器系统都利用初级光信号和传感光纤材料之间的非线性相互作用。当已知波长(l0)的初级光信号被输入到光纤时，非常少量的光信号在沿着传感光纤的每个点被散射回来(例如反向散射光信号)。反向散射光包含波长不同于初级光信号的偏移分量。偏移到较长波长(即较低能量)的光分量被称为斯托克斯分量，而偏移到较短波长(即较高能量)的光分量被称为反斯托克斯分量。参见图6。这些偏移的反向散射光分量可被检测和分析，以确定关于传感光纤的局部状况的信息，例如沿传感光纤长度的不同点处的应变和温度。
94.在一配置中，至少一个传感光纤是拉曼分布式温度传感器的部件。在拉曼分布式温度传感器中，初级光信号(例如泵浦激光信号)和传感光纤材料(例如二氧化硅)中的光学声子之间的相互作用在反向散射光光谱中产生两个反向散射光分量，即拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯。如图6所示，拉曼反斯托克斯分量是温度相关的，即拉曼反斯托克斯分量的强度随着传感光纤温度的增加而增加。结果，拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯反向散射光分量的相对强度可被测量并用于确定传感光纤的温度。拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯反向散射光分量可以由信号检测器检测，例如干涉仪或色散光谱仪。
95.沿着传感光纤长度的温度读数的位置也可以从拉曼反向散射光分量中确定。当脉冲光信号(例如持续时间为几纳秒)用于询问传感光纤时，拉曼斯托克斯和拉曼反斯托克斯反向散射光分量的反向散射强度可被记录为时间的函数(例如“往返”时间)，使得有可能获得沿着传感光纤长度即沿着纤维增强复合材料强度构件的长度的温度分布。
96.在一特征中，结合到纤维增强复合材料强度构件中的传感器系统包括具有多模传感光纤的拉曼分布式温度传感器。具有高数值孔径的多模传感光纤可以增加反向散射光的强度，这可能很重要，因为拉曼反向散射光信号的幅度相对较低。
97.拉曼分布式温度传感器的示例包括来自sensa(英国南安普敦)的传感器、来自smartec(瑞士)和sensortran(美国德克萨斯州奥斯汀)的ditemp系统。
98.在一配置中，至少一个传感光纤是布里渊分布式传感器系统的部件。布里渊分布式传感器利用布里渊反向散射，这是初级光信号和光纤内随时间变化的光密度变化(即声学声子)之间相互作用的结果。声学声子产生传感光纤材料的折射率(例如光密度)的周期性调制。当传播的初级光信号被该移动的“光栅”衍射回来时，发生布里渊散射，导致反向散射光信号中的频率(和波长)偏移分量(即自发布里渊散射)。
99.如图6所示，随着传感光纤的温度增加，布里渊反向散射分量的波长进一步偏移远离主波长λo。该波长偏移可用于确定传感光纤的温度。如同拉曼分布式温度传感器，沿着传感光纤长度的温度位置也可以使用反向散射光信号的飞行时间信息来确定。
100.与拉曼分布式传感器不同，布里渊分布式传感器也可以用于检测传感光纤中的应变(例如拉伸应变)。也就是说，由于传感光纤的光密度的变化，传感光纤内应变的变化也引起布里渊反向散射光分量的波长偏移。结果，可以确定传感光纤以及复合材料强度构件在沿其长度的任何点处所经受的应变。
101.布里渊分布式传感器可以配置成实现基于自发布里渊的技术，即布里渊光时域反射计(botdr)，或者基于受激布里渊的技术，即布里渊光时域分析(botda)。botdr配置的一个优点是可以利用单个相干泵浦光源(即在传感光纤的一端)。botdr还能够同时测量传感光纤的温度和应变。然而，检测到的反向散射光信号通常非常弱，需要信号处理和长的积分时间。
102.在另一配置中，布里渊分布式传感器系统实施botda技术。在botda，使用波长差等于布里渊频移的反向传播输入光信号(有时称为“探测”信号或“反向波”信号)。该探测信号增强传感光纤中的声子数，从而导致更高的信噪比。当主(泵)光信号是短脉冲，并且根据飞行时间和波长偏移分析其反射强度时，可以获得沿传感光纤长度的布里渊频移的分布。botda技术通常要求两个反向传播的光信号波长非常稳定(例如同步激光源)。有利地，可以实现小于10℃或者甚至小于0.5℃的温度分辨率。此外，可以检测到传感光纤经历的非常小的应变偏移。
103.因此，布里渊分布式传感器用于温度监测，并且特别适合于应变测量。在这方面，通常需要知道在参考温度下传感光纤中的波长偏移，以便计算沿传感光纤的任何点的绝对温度。通常还需要知道未应变光纤的波长偏移，以便能够进行绝对应变测量。
104.美国专利号7499151和7599047公开了用于应变和/或温度测量的布里渊分布式传感器的示例，这些专利中的每个在此全部引入作为参考。布里渊分布式传感器的示例可以从oz optics(ottawa,on,加拿大)和omnisens公司(瑞士morges)获得。
105.在一特别有利特征中，通过利用多模传感光纤(例如在拉曼分布式温度传感器中)和单模传感光纤(例如在布里渊分布式应变传感器中)，解决温度变化对纤维增强复合材料强度构件内的纤维应变的影响。应变计算然后可有利地包括使用由拉曼分布式温度传感器系统检测的温度来分离温度对应变的影响。
106.在另一特征中，纤维增强复合材料构件的总长度可以通过测量传感光纤的总长度来确定。可以使用传感光纤，使用瑞利反向散射、拉曼反向散射和/或布里渊(otdr)反向散射来测量该长度信息。
107.因此，当使用纤维增强复合材料构件作为强度构件时，为了确保架空电缆性能，非常希望确保结构纤维不会过度断裂，因为断裂的结构纤维会降低抗拉强度，并且如果没有
足够的连续结构纤维保持支撑架空电缆上的张力负载，架空电缆可能会失效(例如断裂)。本文公开的系统可以有利地使得能够在安装架空电缆之前、期间或之后检测这种断裂。
108.在一特征中，纤维增强复合材料强度构件的完整性可以在强度构件与导电层绞合之前由分布式传感器系统询问。例如，可以使用分布式光纤传感器询问缠绕在存储卷轴上的强度构件，以识别强度构件中的缺陷(例如制造缺陷)。在一特征中，使用布里渊分布式传感器(例如botdr或botda)询问强度构件，以检测沿着强度构件长度的应变。沿其长度的应变的任何异常都可能表示强度构件中的缺陷，例如结合基质中的裂纹或空隙。
109.这种方法可以有利地用于在电导体的进一步制造(例如绞合)发生之前快速确定强度构件中是否存在制造缺陷，从而避免浪费时间和成本。本文所述的分布式传感器系统还可以沿着长度可能为几公里或更长的强度构件的长度定位缺陷，从而可以确定是否挽救不包括缺陷的强度构件的一个或多个部分。
110.在另一特征中，纤维增强复合材料强度构件的完整性可以在将强度构件与导电层绞合以形成电导体之后并且在安装架空电缆之前被询问。不适当的绞合操作可能在纤维增强复合材料强度构件上施加不适当的应力，导致削弱或损害强度构件完整性的不希望的缺陷(例如裂纹)。
111.在另一特征中，强度构件的完整性可以在安装架空电缆之后但在给架空电缆通电(例如供电)之前被询问。以这种方式，传输线路操作者可以确信架空电缆不包含由于制造、不正确绞合或传输线路不正确构造而导致的任何实质性缺陷。
112.强度构件的前述询问方法可以离散步骤执行，即提供关于特定时刻的芯完整性的信息。这种信息对于架空电缆的制造商和安装者来说可能是有用的，以向传输线路操作者提供架空电缆的完整性没有受到损害的保证。
113.在一实施方式中，纤维增强复合材料强度构件的特性以及因此架空电缆的特性可以在激励之后和在传输线路的运行期间例如在输电网的运行期间被实时询问(例如监测)。传输线路的实时询问可以提供多个好处。例如，传输线路的故障，包括故障的位置，可以几乎立即被检测到，从而如果需要，可以采取紧急行动(例如线路修复或电力传输的转移)。此外，例如表示架空电缆中的温度和/或应变波动以及这些波动的位置的数据可以随着时间收集，以帮助在这些故障发生之前识别潜在的故障点。此外，数据可用于对包括传输线路的输电网的运行进行实时调整，例如通过减少或增加传输线路和/或输电网内其他传输线路传输的电量。
114.虽然架空电缆的主要功能是传递电力负载，但电导体也必须足够坚固，以支撑其自身重量以及由冰、风或其他环境因素引起的任何其他重量(或应力)。当架空电缆被安装时(例如，如图5所示串在悬挂塔上)，强度构件支撑导电层并基本承受施加在电导体上的全部拉伸负载。除了由其他环境因素引起的负载之外。这种负载可能导致电导体下垂，即电导体伸展并下降到更靠近地面的位置，潜在地产生危险状况，甚至可能导致传输线路的灾难性故障。
115.对于架空电缆，可以从布里渊分布式传感器输出(例如温度和抗拉强度的组合效应)中导出指示电导体下垂的信息(例如在传输线路运行期间实时)。这也有助于研究和监测冰形成(例如通过拉伸应变变化)和使用传感光纤检测的温度变化。
116.架空电缆的垂度也可以全部或部分地通过直接测量传感光纤的长度来确定。例
如，可以使用测量瑞利反向散射光信号、拉曼反向散射光信号或布里渊反向散射光信号的otdr技术来测量长度。
117.在架空电缆中，还需要确定电导体的温度和温度读数的位置。例如，对外导电层的损坏(例如来自枪伤)可能会减小横截面积并导致“热点”，其中运行温度升高，可能高到足以对架空电缆造成永久性损坏并导致断电。在上述的一特征中，强度构件包括具有多模光纤的拉曼分布式温度传感器，该光纤偏离强度构件的中性轴线，即更靠近强度构件的外表面。由于多模光纤接近导电层，这种配置可以有利地实现电导体(例如导电层)温度的高精度读取。
118.在架空电缆中，分布式温度数据还可以提供关于来自电负载的电导体加热的有价值信息，包括识别用于上述维护行动的局部“热点”，以及用于通过收集和分析代表其随时间累积的热暴露的数据来估计架空电缆的剩余寿命。分布式应变数据还可以提供关于电导体状况的有价值信息，包括导体张力，以确保电导体和支撑结构的安全操作。组合的导体张力和温度信息(例如沿着电导体的整个长度实时)可以有利地使公用事业操作者能够确定在架空电缆中流动的电流(例如实时)，并且可以在紧急情况导致严重和/或更广泛的断电之前，用足够的警告时间警告操作者处理紧急情况。
119.如上文参照图5所述，传输线路可被分成段，例如由架空电缆的相对端部的架空电缆锚定至的终端塔限定的段。架空电缆可以通过一个或多个悬挂塔悬挂在两个终端塔之间。有利地，锚定到第一和第二终端塔的架空电缆可以是基本连续的，即沿着其长度不包括任何电接头。激光源(例如第一泵浦激光源)可以由第一终端塔可操作地支撑，并且可以配置为将光信号(例如激光信号脉冲)引导到第一架空电缆中的至少第一传感光纤的第一端部。在一特征中，单个激光源可以配置(例如通过分束器)成沿着设置在多个架空电缆中的多个传感光纤同时引导激光脉冲。此外，架空电缆可以通过终端配件锚定到终端塔，并且激光源可以与一个或多个终端配件一体形成。例如，bryant的美国专利号7019217和bryant等人的美国专利号8022301公开了这种终端配件的示例，这两个专利在此全部引入作为参考。
120.一个或多个信号检测器(例如，如上所述)也可以由第一终端塔可操作地支撑。例如，信号检测器可以与终端配件一体形成。可替代地，或者除了由第一终端塔支撑之外，信号检测器可以由在架空电缆的与激光源相对的端部的第二终端塔支撑。
121.在另一特征中，可以控制传感器系统和/或可以远程收集来自传感器系统的数据，例如在不靠近实际传感器系统的中心位置。这种集中位置可以对沿着单个传输线路的多个位置和/或来自输电网内的多个传输线路的多个位置执行这种控制和收集。例如，传感器系统可以可操作地耦合到无线传输装置(例如可操作地安装在终端塔上)，从而可以向传感器系统提供控制信号和/或可以从传感器系统远程收集数据。传感器系统也可以使用可再生和/或独立的能量(例如太阳能电池板)供电，并且电源优选地与传输线路去耦，以确保传感器系统在断电期间的持续操作。
122.除了将本文所述的纤维增强复合材料构件和传感器系统用于传输线路中的架空电缆之外，纤维增强复合材料构件和系统也可以在传输线路的其他部件中实现。例如，纤维增强复合材料构件和系统可用于竖直支撑架空电缆的支撑塔(见图5)，尤其可用于支撑塔的横臂。在这点上，支撑臂可能由于由传输线路所经受的不同环境状况(例如结冰、风等)而承受不同的负载。因此，可以检测横臂的状况(例如横臂中的应变)，并且该信息可以用于确
定传输线路的整体状况。塔的其他部件(例如图5的竖直支撑塔的框架)也可以实施本文公开的纤维增强复合材料构件和系统，以提供关于传输线路状况的有用信息。
123.通过结合用于架空电缆和/或包括传感器系统(例如分布式传感器系统)的传输线路的其他部件的强度构件的一个或多个前述实施方式，可以提供用于包括多个传输线路的传输线路和/或输电网的智能操作的系统和方法。这种系统和方法可以包括连续或半连续询问架空电缆，以检测例如温度状况、应变状况、机械负载和/或架空电缆的伸长，并响应于某些识别的状况而采取行动。根据这些状况的确定，可以确定其他状况和/或状态，比如特定导体段的下垂或导体段承载的电流。
124.例如，行动可以包括增加或减少提供给一条传输线路的电力。在一特征中，分布式传感器检测传输线路上一位置的升高的温度，并且响应于该检测采取行动。例如，响应可以包括预防行动，例如降低通过该传输线路传输的电力，和/或修理行动，例如派遣修理人员调查和修理问题。在这点上，分布式传感器系统有利地使得能够以高精度(例如在几米或更小的范围内)确定问题的位置，从而减少维修人员定位问题所需的时间。
125.在另一示例中，测量施加在架空导线上的张力(例如应变)，并且如果测量的应变被认为存在风险，则可以采取补救措施。在又一示例中，例如通过测量电导体的伸长来计算下垂(例如由于热负荷、冰或风)。如果下垂量被确定为是风险，可以采取补救措施来减少下垂或在架空电缆下垂到危险水平之前减少提供给传输线路的电力。
126.如上所述，关于使用传感光纤询问架空电缆已经确定的一个问题是，从复合材料强度构件内选择性地接近传感光纤以及在传感光纤和otdr装置之间建立可靠的连接是极其困难的。也就是说，传感光纤具有相对较小的直径，并且当它们设置在与结构光纤相同的基质中时难以定位和连接。这个问题在架空电缆安装的情况下尤其困难，因为连接必须由技术人员在现场进行，通常是在困难的环境条件下。
127.根据本公开的某些实施例，公开了将询问装置(例如otdr装置)连接到传感光纤的系统和方法。一种系统和方法包括在制造过程中在复合材料强度构件的端部提供松散的(例如未被结合基质结合的)结构纤维和光学传感纤维，并将传感纤维连接器安装至光学纤维。另一系统和方法包括切割复合材料强度构件(例如在安装架空电缆期间)和抛光强度构件的端部，包括光纤，以形成包括光纤端部的光滑表面，以及通过特殊的对准装置将光纤连接到询问装置。另一系统和方法包括切割复合材料强度构件(例如在架空电缆的安装过程中)并将强度构件的端部浸入被选择成溶解结合基质的化学溶液中，然后将光纤连接到询问装置。另一方法包括切割复合材料强度构件(例如在安装架空电缆期间)，并使用专门设计的焊炬烧掉基质，然后将光纤连接到询问装置。
128.图7示意性地示出了用于将光纤从复合材料强度构件耦合到询问装置的连接系统。如图7所示，这包括询问装置770，例如otdr装置。连接器750可操作地将询问装置770连接到光纤728a/728b。如图7所示，光纤728a/728b延伸超过复合材料强度构件716的端部。例如，光纤可以延伸超过强度构件的端部至少约3cm，例如至少约5cm，例如至少约9cm。在另一特征中，光纤延伸超出强度构件的端部不大于约40cm，例如不大于约30cm。复合材料强度构件本身可以具有至少约500米的长度，例如至少约1000米、至少约2000米或者甚至至少约5000米。
129.尽管图示为包括两个光纤，但应当理解，该系统可以包括单个光纤或多个光纤，包
括3个光纤、4个光纤、5个光纤或更多个。
130.在一实施例中，控制制造过程，使得复合材料强度构件的至少一个端部包括松散纤维，例如结构纤维和未被结合基质结合的光纤。也就是说，复合材料强度构件最初由从复合材料强度构件的至少一个端部延伸的松散纤维制成。当复合材料强度构件以这种方式制造时，从端部延伸的光纤可能在强度构件的处理(例如运输)过程中被损坏。
131.如图8所示，示出了用于保护光纤和便于将光纤连接到询问装置的布置。装置880包括套筒882，该套筒882具有用于将复合材料强度构件816的端部接收在套筒内的孔。为了保护光纤828a和828b，套筒可以由刚性材料制成，例如金属或硬塑料材料。套筒882的相对端部由外壳封闭，该外壳还将光纤828a/828b容纳在外壳内，这也固定了连接器850。光纤828a/828b的端部耦合到连接器850，其配置成将光纤828a/828b连接到询问装置。强度构件816和连接器850都固定在装置880的端部，使得光纤828a/828b在处理和运输强度构件816的过程中不会受到潜在的损坏。
132.在另一实施例中，复合材料强度构件的端部，包括光纤的端部，可被抛光以形成光滑表面。因为otdr需要非常干净的光纤连接，所以通常需要用砂砾尺寸约为1μm或更小的抛光垫抛光强度构件的端部。例如，抛光可以包括多个抛光步骤，使用逐渐变小的抛光砂砾，直到砂砾尺寸小于或等于0.5μm或者甚至小于或等于0.2μm。此后，包括光纤的强度构件可以附接到光纤对准设备。这种光纤对准设备的一个实施例如图9所示。设备900包括3d平台986(例如能够在x轴、y轴和z轴上受控移动)，以移动纤维探针988，直到纤维探针988与光纤928a中的至少一个对准。3d平台986的移动可以在观察屏990的帮助下被手动控制，通过观察屏990，操作者可以视觉识别光纤928a。可能对该目的有用的3d平台的示例是philadelphia,pa,usa的intellidrives公司提供的xyz-lsma-167平台。
133.在实现纤维探针988和光纤928a之间的对准之后，可以激活询问装置970。如图9所示，设备900还包括光导装置987，其配置成将光(例如激光束)分成两个不同光束。其中一个光束被引导至观察屏990，用于将纤维探针988与光纤928a对准。另一光束被引导至otdr970，用于进行测量，例如温度、应力、应变等。光导装置987可以包括纤维分路器、光学开关、mems(微机电系统)、具有分光的棱镜的准直器或反射式准直器。
134.设备900的操作可以包括以下步骤。首先，使用3d精密平台986移动纤维探针988，以将光纤928a定位在芯中。调整平台986以使探针988与光纤928a对准，并在探针988和光纤928a的端部之间建立适当的距离。探针988的移动可以通过视觉观察观察屏990中的纤维图像来辅助。如果光导装置987分离光，则可以进行otdr测量。如果光导装置987通过例如用光学开关偏转光来操作，则需要改变朝向otdr970的光方向来进行测量。
135.本文公开的另一方法包括通过用化学溶剂溶解结合基质来暴露复合材料强度构件端部的光纤。如图10所示，包括传感光纤1028a的复合材料强度构件1016可以基于导体绞合和/或架空电缆安装的要求在期望的位置被切割。复合材料强度构件1016的一个端部可以插入到容纳化学溶剂的容器1092中，该化学溶剂被选择为溶解结合基质而不溶解光纤1028a。这种化学溶剂的示例包括酸。在基质溶解(例如去除)之后，传感光纤1028a可被定位用于连接到询问装置。
136.图11示出了去除基质以暴露光纤的另一方法。包括光纤1128的复合材料强度构件1116可以基于绞合操作和/或架空电缆安装的要求在期望的位置被切割。强度构件1116的
一个端部插入包括气体供应管1196的焊炬设备中，气体供应管1196配置为向焊炬1198供应气体。结合基质可被焊炬1198烧掉，以暴露松散纤维，包括光纤1128。
137.在用于去除基质以暴露光纤的任何前述实施例中，可以将涂层施加到光纤的暴露部分以保护光纤免受损坏。例如，涂层可以是聚合物涂层。
138.此外，在任何前述实施例中，光纤可被着色，例如使用颜料、染料等，以便于光纤相对于非光纤(例如增强纤维)的定位。
139.虽然已经详细描述了各种实施例并对其进行了表征，但对于本领域的技术人员来说，显然可以对这些实施例进行修改和调整。应当清楚地理解，这些和其他这样的修改和调整都在本公开的精神和范围内。